Projet MOISE Appel à projets ANR-07-PANH. Gérard Delette, CEA-LITEN

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Christophe Trudeau
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1 Projet MOISE Appel à projets ANR-07-PANH Gérard Delette, CEA-LITEN

2 Le projet MOISE Titre : MOdélisation Intégrale de motifs élémentaires d'electrolyseur haute température Partenaires : CEA-LITEN, G-INP/SIMaP, G-INP/LEPMI, AREVA- NP, ANSYS-France Date de début du projet : 01/01/2008 Date de fin du projet : 31/12/2010 Budget total : 2100 k Aide accordée : 1050 k Labellisation par un pôle de compétitivité : TENERRDIS

Rappel du contexte et des enjeux Production massive d hydrogène par EVHT contrainte de fiabilité : > 10 6 cellules par usine contrainte de durabilité : durée de vie 3-5 ans Etude du couplage

3 Rappel du contexte et des enjeux Production massive d hydrogène par EVHT contrainte de fiabilité : > 10 6 cellules par usine contrainte de durabilité : durée de vie 3-5 ans Etude du couplage avec un SFR Rivera-Tinoco (2010) Les performances énergétiques sont en partie fonction du design Enjeu : quantifier et optimiser les performances des électrolyseurs lors de l étape de conception

Objectifs et positionnement du projet Simuler le fonctionnement complet d un électrolyseur Proposer des méthodologies et des stratégies de simulation Intégrer des

4 Objectifs et positionnement du projet Simuler le fonctionnement complet d un électrolyseur Proposer des méthodologies et des stratégies de simulation Intégrer des modèles physiques élémentaires Réaliser des études paramétriques sur des architecture réelles Principe de fonctionnement de l architecture de référence du projet (SEMI-EHT)

de la cellule Performances de la plateforme

5 Défis scientifiques et technologiques Couplage CAO / Modèles multi-physiques et multi-échelles Résultats Dimensionnement de composants Risque d endommagement mécanique de la cellule Performances de la plateforme de simulation visées supérieures à l état de l art

6 Résultats Analyse du design SEMI-EHT : écoulements fluides Débit en périphérie = 25 % du débit total : optimisation nécessaire

7 Résultats Analyse du design SEMI-EHT (contraintes liées au serrage) F 1 3 F 2 j 1 = 190 µm j 3 j = 3 = 00 j j j j 1 = 0 3 j 2 j 2 = 0 j 2 = 0 j 2 = 0 Mise en flexion de la cellule 200 µm Risque de rupture de la cellule lors du serrage dans ce design

8 Résultats Analyse du design SEMI-EHT (pression de contact) éléments Mauvaise répartition des pressions de contact pour ce design d interconnecteur

9 Résultats Analyse du design SEMI-EHT (pression de contact) Diminution de la pression de contact par relaxation des lamelles flexibles : effet sur les résistances de contact

3 mm Gold wire machine d essai + four sous air connexion vers SIE Etablissement de lois d

10 Résultats Dispositif de mesure des résistances de contact motif d IC sur plateau de compression symmetrical cell Ø 11.3 mm Crofer pin Ø 11.3 mm Gold wire machine d essai + four sous air connexion vers SIE Etablissement de lois d évolution de la résistance de contact en fonction de l effort appliqué par l interconnecteur pour différentes solution technologiques

11 voltage (V) voltage (V) voltage (V) Résultats Etudes paramétriques sur l architecture SEMI-EHT 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 w/o contact resistance with contact resistance 0,9 experimental data Jeremi 0,9 experimental data Jeremi 0,8 0,8 - -0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 current density (A/cm²) 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 Etude de l effet d un revêtement sur les interconnecteurs w/o contact resistance with contact resistance current density (A/cm²) Dégradation des performances en fonction de l épaisseur des lamelles flexibles

12 L TPB (µm/µm 3 ) Résultats Simulation de la microstructures des électrodes Propriétés morphologiques à l état initial TPB this work Wilson et al Iwai et al ,6 1,2 1,8 2, / R Obtention de données d entrée pour les modèles macroscopiques : - longueur de joints triples (électrochimie) - propriétés mécaniques (endommagement)

13 Résultats Modélisation des cinétiques de réactions aux électrodes modèle d électrode volumique Gas phase H 2 O (g) ou O 2(g) e - 0 Composite electrode (Gas + YSZ + M) Modèle Butler-Volmer Modèle Volmer-Tafel Electrolyte (YSZ) V 0 L x Points expérimentaux Electrode à hydrogène en mode EHT : - réduction directe de la vapeur aux fortes P H2O - les données expérimentales peuvent être interprétées par un mécanisme de «Volmer-Tafel»

14 Résultats Modélisation de l endommagement des électrodes tension compression compressive strength tensile strength Etablissement d un critère d endommagement basé sur la microstructure utilisable dans les approches macroscopiques

15 Conclusions et perspectives La plateforme de simulation est opérationnelle, ses capacités sont supérieures à l état de l art De nouvelles méthodologies de caractérisation des électrodes sont établies Une démarche d optimisation est envisageable à 2 échelles sur les composants et éléments de structure des électrolyseurs sur la microstructure des électrodes Poursuite au travers de plusieurs projets ANR Aphrodite, Optima-SOFC, Oppidum

16 Conclusions et perspectives 6 articles acceptés dans des revues à comité de lecture X. Liu, C L Martin, G. Delette, D. Bouvard, Elasticity and strength of partially sintered ceramics, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 58, (2010). X. Liu, C. L. Martin, D. Bouvard, S. Di Iorio, J. Laurencin, G Delette, Strength of highly porous ceramic electrodes, Journal of the American Ceramic Society 94 (10), pp (2011) X Liu, C L Martin, G Delette, J Laurencin, D Bouvard, T Delahaye, Microstructure of porous composite electrodes generated by the discrete element method. Journal of Power Sources, 196, (2011). J. Laurencin, D. Kane, G. Delette, J. Deseure, F. Lefebvre-Joud, Modelling of solid oxide steam electrolyser: Impact of the operating conditions on hydrogen production, Journal of Power Sources, 196 n 4 (2011). J. Aicart, J. Deseure, O. Doche, Y. Bultel, Modeling of electrochemical behaviour of High Temperature Steam Electrolyzer Cell: microstructure design effect. Chemical Engineering & Technology, submitted in December 2010 T. Boëdec, M. Reytier, D. Lhachemi, D. Tschumperlé, P. Louat, S. Di Iorio,P. Baurens, G. Delette, A New Stack to Validate Technical Solutions and Numerical SimulationsFuel Cells, accepted for publication 18 communications à des conférences internationales

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